《电力电子技术》教学大纲

《电力电子技术》教学大纲课程编号：13220415英文名称：PowerElectronics学分：2.5学时：总学时48学时，其中理论32学时，实践16学时先修课程：大学物理、电路原理、模拟电子技术，数字电子技术，自动控制原理课程类别：专业主干课程授课对象：电气工程及其自动化专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第5学期一、课程描述和目标1.课程地位电力电子技术是电气工程及其自动化专业的一门专业主干课程，课程讲述电力电子器件、四类变流电路（AC/DC、DC/AC、DC/DC和AC/AC）、变流控制和应用等四部分内容，旨在培养电气工程及其自动化专业学生为智能仪器仪表研发过程中设计电子电源，以及机器人与智能控制行业中的电机驱动设计电机驱动器的工程应用能力。2.课程目标课程目标1：根据电机系统驱动要求和电气系统的电能需求，制定电机驱动器电能变换电路和电子电源方案、计算参数、设计电路；课程目标2：能够解释开关工作的电能变换装置带来的电磁干扰和电能损耗问题，能在电磁兼容、节能、电气安全等技术标准体系下，自觉践行软开关、高效率等绿色能源变换理念、安全电能变换理念，分析和设计电气工程领域的复杂电能变换装置。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重3.2能够针对特定需求，完成输电、变电、配电、拖动等单元模块的设计；课程目标1H4.1能够基于科学原理，通过文献研究或专业调研等相关方法，调研和分析电气工程相关领域复杂工程问题的实验、设计思路；课程目标2M三、教学内容、基本要求与学时分配（一）理论教学序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标绪论什么是电力电子技术；电力电子技术发展史、应用基本要求：正确理解电力电子技术的含义；理解并能区分电力电子技术与信息电子技术；理解晶闸管的诞生年是电力电子技术元年；理解电力电子技术可持续发展的内因是半控到全控、低频到高频、高噪声到低噪声。重点难点：电力电子技术可持续发展的内因是半控到全控、低频到高频、高噪声到低噪声。德育要求：爱国主义：我国科技的高速发展与当代青年人的机遇和挑战1集中讲授、文献阅读课程目标1课程目标2电力电子器件电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、MOSFET、IGBT等电力半导体器件的结构、工作原理；静态、动态特性与参数基本要求：标出电力二极管、SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT等电力半导体器件的结构；总结和解释工作原理；区分工作频率的高低、电压电流能力的高低。重点难点：SCR、MOSFET、IGBT三类器件的结构、工作原理、特点德育要求：爱国主义：我国科技的高速发展与当代青年人的机遇和挑战5集中讲授、课堂演示、课后作业、文献查找和分析课程目标1整流电路单相半波、全波、桥式相控整流电路的组成、工作原理、定量分析；三相相控整流电路的组成、工作原理、定量分析；相控整流电路的有源逆变工作状态；变压器漏感对整流电路的影响；谐波和功率因素；相控整流电路的有源逆变工作状态。基本要求：能够绘制单相半波、全波、桥式相控整流电路并解释这三类相控整流电路在电阻负载、阻感负载和反电动势状态下电阻负载、阻感负载的工作原理，推导数量关系；能够绘制三相半波、桥式相控整流电路，并解释在电阻负载、阻感负载状态的工作原理，推导数量关系；建立换相压降、重叠角的概念，并掌握换相压降、重叠角定量计算；了解电容滤波的不可控整流电路的工作特点；建立谐波、功率因素的概念，了解相控整流电路、不控整流电路产生谐波和干扰的特点；掌握产生有源逆变的条件，三相可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算。重点难点：三相桥式相控整流电路在电阻负载、阻感负载状态的工作原理和数量关系；谐波；三相可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算。德育要求：工匠精神：以王兆安、陈伯时、钱照明等专家学者的事例，讲述其长期攻关我国电力电子技术，做成了巨大贡献，引导学生崇尚工匠精神。穿插袁隆平的事迹。6集中讲授、课堂演示、课后作业课程目标1课程目标2逆变电路换流方式；单相和三相电压型逆变电路；单相和三相电流型逆变电路；多重逆变电路和多电平逆变电路。基本要求：掌握四种换流方式；能够绘制单相电压型半桥、全桥、推挽逆变电路，掌握全桥逆变电路的基波与直流输入电压之间的数量关系；能够绘制三相电压型逆变电路，解释工作原理，推导输出相电压、线电压的数量关系；了解晶闸管作为开关管的单相、三相电流型逆变电路；建立多重逆变和多电平逆变的概念。重点难点：单相电压型半桥、全桥、推挽逆变电路；三相电压型逆变电路德育要求：创新意识与创新精神4集中讲授、课堂演示、课后作业课程目标1直流-直流变流电路非隔离的直流-直流变流电路（直接直流-直流变流电路，基本斩波电路）；复合斩波电路和多相多重斩波；隔离的直流-直流变流电路（间接直流-直流变流电路）。基本要求：1）针对开关电源：能够绘制非隔离的Buck和Boost拓扑的主电路结构以及PWM控制策略的输入、输出和占空比之间的数量关系；了解Buck-Boost、Cuk等拓扑电路结构，能根据稳态时，在一个周期T内电感L的伏秒平衡原理和电容C的安秒平衡原理推导PWM控制策略的输入、输出和占空比之间的数量关系；建立多相多重斩波的概念，了解典型电路；能够绘制隔离的正激、反激、半桥、全桥、推挽等五种开关电源拓扑主电路，掌握PWM控制策略的输入、输出和占空比之间的数量关系，了解变压器单向、双向励磁特点和开关管的电压应力；2）针对直流电力拖动：能够绘制电流可逆斩波和桥式可逆斩波电路的主电路、能解释控制策略和工作原理。3）具有自主学习的能力，包括对技术问题理解的能力，归纳总结的能力；4）就开关电源技术问题，有效使用PowerPoint、Visio等办公软件，以口头、文稿、图表等方式，同业界同行及社会公众进行有效沟通。重点难点：Buck、Boost、正激、反激、推挽、半桥、全桥直流直流变换电路。德育要求：创新意识与创新精神6翻转课堂（学生自学后同伴学习）、团队讨论、课堂演示、课后作业、文献查找和分析课程目标1课程目标2交流-交流变流电路单相相控式、斩控式交流调压电路；相控式三相交流调压电路；交流调功电路；交流电力电子开关；单相和三相交交变频电路。基本要求：能够绘制单相相控式、斩控式交流调压电路，能够分析其数量关系；了解相控式三相交流调压电路、交流调功电路和交流电力电子开关；了解单相和三相交交变频电路的电路组成，解释工作原理。重点难点：单相相控式交流调压电路；单相和三相交交变频电路的电路组成，解释工作原理。德育要求：创新意识与创新精神3集中讲授、课后作业课程目标1PWM控制技术PWM控制的基本原理；PWM逆变电路及其控制方法；PWM跟踪控制技术；PWM整流电路及其控制方法基本要求：能够表述并解释PWM的基本原理；能够列举和解释PWM的计算法和调制法两种方法；能够解释异步调制和同步调制；了解PWM跟踪控制技术；能够绘制典型的单相半桥、单相全桥、三相桥式PWM整流电路，表述其控制方法。重点难点：调制法PWM德育要求：创新意识与创新精神2集中讲授、课后作业课程目标1软开关技术软开关的基本概念；软开关电路的分类；典型的软开关电路基本要求：能够定义和解释软开关的概念；能表述和解释软开关对电力电子变换器的噪声降低、效率提升和功率密度提高作用；能够表述和解释零电压开关、零电流开关；能够表述和解释PFM型谐振软开关以及PWM型零开关和零转换两类软开关；能够绘制移相全桥的功率电路，能够解释开关管软开关的实现原理，能够区分移相全桥和硬开关PWM全桥的控制不同点。重点难点：移相全桥变换器德育要求：共商共享共赢的合作精神；团队精神：通过项目合作设计培养学生之间互助友爱的团队意识；设计方案的综合分析与比较；社会责任与技术规范践行5集中讲授、课堂演示、课后作业、文献查找和分析课程目标1课程目标2合计32（二）实验教学序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1三相桥式全控整流及有源逆变电路实验内容：正弦波、锯齿波同步移相触发电路的调试；在整流或有源逆变状态下，当触发电路出现故障（人为模拟）时通过示波器观察主电路的波形进行故障排查并记录波形。成果：理解半控器件晶闸管的工作原理和开关特性；理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理；以KC系列集成触发器为例了解晶闸管触发电路的工作原理，建立同步、同步的概念；分析三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作状态。要求：必修。4综合性课程目标1课程目标22直流斩波电路的性能研究内容：Buck变换器原理；驱动波形、电感前端波形随输入电压的占空比、频率、幅值变化，以及输出电压变化。成果：能够阅读并理解英文文献，具备一定的国际视野；理解Buck变换器的工作原理；能够表述和理解PWM控制策略的思想并应用到开关电源设计中；掌握程控电源、电子负载、示波器、万用表等现代仪器设备的使用；能够计算非隔离式开关电源的磁性元件；能够设计仪器仪表、机器人与智能控制仪器中非隔离式开关电源。要求：必修。3综合性课程目标1课程目标23LLC谐振变换器的性能研究内容：LLC谐振变换器原理；下管驱动波形、漏源波形、整流管反压随输入电压的占空比、频率、幅值变化，以及输出电压变化。成果：能够阅读并理解英文文献，具备一定的国际视野；理解半桥逆变电路和全波整流的工作原理；理解变压器的设计；理解谐振式软开关的工作原理，以及软开关对电磁噪声的抑制作用，进而理解工程实践对环境、社会可持续发展的影响；了解开关电源的谐振软开关的研究热点；表述并能解释隔离式开关电源的电路组成；理解PFM的工作原理，并能区别和比较PWM和PFM两种控制策略；为LED等设计隔离式开关电源；能够在一个团队中担当领导或者成员的角色，并能有效沟通，成功开展工作。要求：必修。9综合性课程目标1课程目标2合计16四、课程教学方法（1）理论学习以集中授课的形式为主，小组讨论为辅；（2）综合性实验以小组形式完成，集中评价。本课程的课外环节包含三个部分：课后作业、文献阅读、视频学习。（1）课后作业为实现课程目标1和2的达成，并对达成情况进行评价，本课程要求学生完成至少5次课后作业。主要形式（但不限于）为电路设计、计算等。主要内容是依据所学的电路原理、模拟电路、电力电子技术等基本原理，对电力电子器件、四大变流电路、PWM控制策略和软开关技术等进行分析、计算和设计。（2）文献阅读1）AbrahamI.Pressman.SwichingPowerSupplyDesign(SecondEdition)[M].McGraw-Hill2)High-VoltageSwitcherforLowPowerOfflineSMPS；3)AnintroductiontoLLCresonanthalf-bridgeconverter.STApplicationnote.AN2644.4)LLCresonanthalf-bridgeconverterdesignguideline.STApplicationnote.AN2450.5)L6599Adatasheet.（3）视频学习网络上对Buck、LLC谐振变换器的讲解等。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由平时作业、实验（含综合设计）、期末考核组成，均按百分制计分，其中平时作业成绩占10%、实验1占10%、实验2占10%、实验3占20%、期末考核成绩占50%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）合计1平时作业82102实验实验16410实验26410实验31010203期末考试42850课程目标对应分值7228100（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分作业按时完成，90%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握到位。能够利用理论知识识别、分析仪器仪表和电机驱动的用电需求，完成电子电源或电机驱动器的设计、计算。按时完成，70%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握较到位。能够较好利用理论知识识别、分析仪器仪表和电机驱动的用电需求，完成电子电源或电机驱动器的设计、计算。延时完成，60%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握基本到位。利用理论知识对电子电源或电机驱动器有一定的设计、计算。不交和补交，50%以下的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握有偏差。不能利用理论知识对电子电源或电机驱动器进行设计、计算。2.实验分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分实验能较快地完成电路调试、排故，前10%完成整个实验。能逻辑清晰地分析和定位电路故障，能正确使用各种工具，遵守电气技术规范。能在一两个提示下在规定时间内较快地完成电路调试、排故，分析和定位电路故障的思路比较清晰，能调试和测试实物。能正确使用各种仪器。在报告中能够较为正确地分析各类因素。汇报时思路较为清晰，能回答大部分问题。能在规定的时间内完成电路调试、排故。在同学的帮助下完成测试和原理讲解。不能在规定的时间内完成电路调试、排故，超过了三个提示方能完成电路调试、排故。报告不规范，不能清楚地说明设计、制作过程和工作原理。3.期末试卷考核与评价标准根据课程目标及教学内容，设计期末考核试题，综合检验学生对课程相关知识的掌握、综合应用及解决复杂问